大型零部件的精密加工絕非易事。如何才能以微米級(jí)的精度大批量生產(chǎn)鐘表中使用的齒輪和螺絲或者連接器接觸引腳等零件？瑞士 Esco 和 Affolter 公司通過(guò)為其數(shù)控機(jī)床配備倍福的 TwinCAT CNC 和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
Esco 采用倍福瑞士解決方案提供商 Affolter 開發(fā)的基于 TwinCAT CNC 的控制解決方案控制所有機(jī)床系列
從日內(nèi)瓦延申到巴塞爾的瑞士“鐘表谷”，經(jīng)過(guò)數(shù)百年的發(fā)展，手表制造商和微型精密機(jī)械制造商之間已經(jīng)形成完美的生態(tài)圈（成為世界知名的鐘表品牌的以及微型精密機(jī)械制造商的聚集地）。總部位于 Les Geneveys-sur-Coffrane 的 Esco 公司和位于 Malleray 的 Affolter Group 這兩家設(shè)備制造商就是其中一員。他們的數(shù)控機(jī)床以最高的精度制造最小的齒輪、螺絲、軸等零部件，是瑞士鐘表機(jī)芯能夠具有享譽(yù)全球的精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)。
Esco 車床主要用于高精度、高品質(zhì)地加工各種大中型精密零部件。機(jī)床除了車削工序之外，還具備其它加工能力。因此，這些結(jié)構(gòu)緊湊的機(jī)床也可加工復(fù)雜零件。
固定材料和旋轉(zhuǎn)刀具
與一般的自動(dòng)車床不同，Esco 機(jī)床的采用的是個(gè)性化的工作原理：固定材料，旋轉(zhuǎn)刀具。因此，機(jī)床就能夠全自動(dòng)、不間斷地加工環(huán)狀或棒狀材料。“此外，刀具可以接近工件，這也為生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量帶來(lái)了優(yōu)勢(shì)。”Esco 銷售經(jīng)理 Vincent Fankhauser 說(shuō)道。轉(zhuǎn)速高達(dá) 12,000 rpm 的主軸是實(shí)現(xiàn)高精度和短加工時(shí)間的基礎(chǔ)。
自 2020 年初以來(lái)，Esco 一直依賴基于 PC 的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)化，并因此采用了倍福的 TwinCAT 3。“之前的供應(yīng)商為我們提供的控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)到了生命周期的末期，我們需要面向未來(lái)的 CNC 技術(shù)，可以輕松地為我們的不同系列進(jìn)行配置。”Vincent Fankhauser 說(shuō)道。
車床控制：安裝了 TwinCAT CNC（最多可控制 12 根伺服軸和主軸）的 C6920 控制柜式工業(yè) PC（右）與相應(yīng)的 EtherCAT 端子模塊系統(tǒng)（左）
這就是倍福解決方案提供商 Affolter 的用武之地。公司自己生產(chǎn)滾齒機(jī)，同時(shí)作為合同制造商，使用大約 350 臺(tái)機(jī)床加工鐘表等行業(yè)使用的復(fù)雜零件。總經(jīng)理 Vincent Affolter 說(shuō)道：“我們一直為自己的控制解決方案感到自豪，我們?yōu)槲覀兊臋C(jī)床自主研發(fā)了控制解決方案，并用生產(chǎn)電子元器件。”控制系統(tǒng)的核心部分是 FPGA 芯片，它可以在微秒范圍內(nèi)并行計(jì)算所有軸的所有設(shè)定值。但是，當(dāng)電子元器件無(wú)法再供應(yīng)時(shí)，Affolter 就再也無(wú)力維護(hù)其控制系統(tǒng)，更不用說(shuō)進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行開發(fā)以及集成 IT 連接等其它功能。幸運(yùn)的是，Affolter 的 PC 技術(shù)性能正迅速提升。
從 FPGA 到開放式控制平臺(tái)
“在 2016 年分析可能的控制系統(tǒng)供應(yīng)商時(shí)，我們很快就在倍福找到了我們想要的產(chǎn)品，并開始使用基于 PC 的控制技術(shù)進(jìn)行初步測(cè)試。”Vincent Affolter 說(shuō)道。他最重要的工作之一是保持公司自主創(chuàng)新的靈活性，而無(wú)需再次自行開發(fā)硬件。“倍福的開放式控制平臺(tái)提供了 Affolter 所需的靈活性。”倍福瑞士公司銷售部的 Philippe Abt 補(bǔ)充道。基于 PC 的控制技術(shù)和 TwinCAT CNC 現(xiàn)在構(gòu)成了 Vincent Affolter 自己的 CNC 機(jī)床所使用的控制平臺(tái)的基礎(chǔ)，并提供給像 Esco 機(jī)床制造商等倍福解決方案提供商。
在將 CNC 解決方案與 Esco 機(jī)床相匹配時(shí)，基于 PC 的控制技術(shù)展現(xiàn)出了出色的靈活性：考慮到所需的機(jī)床周期時(shí)間，在處理 CNC 任務(wù)時(shí)沒(méi)有時(shí)間可以浪費(fèi)。“由于 TwinCAT CNC 采用了模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)相應(yīng)的配置可以實(shí)現(xiàn) Esco 所要求的短周期時(shí)間。”Philippe Abt 回憶道。為了減少任務(wù)的計(jì)算時(shí)間，不需要的功能都被刪除了。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最重要的是我們從一開始就得到了倍福的支持，并與倍福一起尋找并實(shí)施解決方案。但這一切并不是理所當(dāng)然的。”Vincent Affolter 說(shuō)道。
不同的數(shù)控機(jī)床，相同的控制核心：Affolter 采用倍福基于 PC 的控制技術(shù)，同步運(yùn)行加工中心上的三根高速主軸
基于 PC 的控制技術(shù)適用于所有機(jī)床系列
基于 TwinCAT 3 和 C6920 控制柜式工業(yè) PC 的聯(lián)合調(diào)整控制方案適用于 Esco 的所有機(jī)床系列，為將所有數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)期、安全地遷移到基于 PC 的控制系統(tǒng)中奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自 2020 年以來(lái)，Esco 已經(jīng)交付了約 150 臺(tái)配備了各種配置的 TwinCAT CNC 控制系統(tǒng)的機(jī)床。Vincent Fankhauser 說(shuō)道：“我們現(xiàn)在更加靈活，可以根據(jù)我們所需的計(jì)算能力和驅(qū)動(dòng)配置以及安全性要求，從整個(gè)產(chǎn)品系列中進(jìn)行挑選和組合。”以 Escomatic D6 Twin 為例，有 12 根伺服軸需要控制，3 個(gè) CNC 通道需要計(jì)算。
驅(qū)動(dòng)技術(shù)（AX5000 伺服驅(qū)動(dòng)器和 AM8000 伺服電機(jī)）中采用的單電纜技術(shù)（OCT）顯著節(jié)省了控制柜和機(jī)床空間，因?yàn)橹恍桎佋O(shè)一條更細(xì)的電機(jī)電纜即可。自從改用 OCT 技術(shù)后，反饋系統(tǒng)中的信號(hào)干擾問(wèn)題也得到了解決。
Affolter 和 Esco 目前正致力于整合刀具監(jiān)控和在線質(zhì)量控制。發(fā)展規(guī)劃還包括通過(guò) umati（萬(wàn)能機(jī)床接口）和 OPC UA 將數(shù)控機(jī)床連接到 MES 和 ERP 系統(tǒng)。基于 PC 的控制是一種開放式模塊化控制系統(tǒng)，它也將取得成功。
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過(guò) 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽(yáng)能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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